Ключевые слова: железо, болезни перегрузки железом, гемохроматоз, угнетение, метаболизм, митоз, апоптоз.
В последние десятилетия отмечается резкий рост злокачественных новообразований, что в основном связано с ухудшением экологической ситуации с увеличением продолжительности жизни. Дальнейшее развитие промышленности будет только ухудшать ситуацию, как в экологии, так и в плане заболеваемости. Такое не может не настораживать, т.к. рост заболеваемости естественно ведет к росту смертности и росту инвалидизации больных. Несмотря на бурный рост науки и медицины, лечение злокачественных новообразований в большинстве случаев оказывается неэффективным, а такие меры, как профилактика и раннее выявление по разным причинам не дает ощутимых результатов. Переориентация лечения опухолей оперативными путями часто ведет к инвалидизации больных, а высокотехнологичные методы лечения не всем доступны. Современные лекарственные средства обладает огромным количеством побочных эффектов, что естественно затрудняет и ограничивает их применение и ухудшает прогноз.
Современный уровень развития науки позволяет глубоко изучить опухоль, ее строение, метаболизм, генетическую структуру, но чем больше появляется знаний, тем меньше мы ее понимаем. «Ясно, что фенотип отдельно взятой злокачественной опухоли оказывается уникальным, спектр биохимических характеристик неповторим, включающий в себя каждый раз иные комбинации отклонения от нормы и с каждым новым поколением появляются клетки с новыми свойствами». («Биохимические аспекты опухолевого роста» В.С. Шапотн 1975г).
Такие «нерадостные перспективы» требуют поисков новых подходов к лечению, поисков новых препаратов. Которые по возможности обладали бы минимальной токсичностью и избирательностью, универсальностью (один препарат эффективен против многих видов опухолей), способностью угнетать митоз, метаболизм и апоптоз одновременно.
Целью работы является обоснование эффективности железа в лечении опухолевых заболеваний.
В организме имеются клетки, во многом схожие с опухолевыми в плане митотической активности и метаболизма. Такими можно назвать клетки кроветворной системы, слизистой желудочно-кишечного тракта и печени, обладающие способностью к пролиферациии, регенерации и высоким уровнем обмена веществ. Но также протекают процессы, как в норме, так и при патологии, когда жизнедеятельность и деление клеток органов резко угнетается. Эти процессы можно показать на примере:
1) бластной кроветворной клетки- клетки самой быстропролиферирующей системы организма. Проходя ряд стадий созревания и деления, бластная клетка превращается в эритроцит (происходит замена ядра гемоглобином), клетка теряет способность к делению и клетка разрушается путем апоптоза. Полностью меняется обмен веществ (анаэробный): «для эритроцита характерен относительно низкий уровень обмена, что обеспечивает им довольно длительный период жизни: 120 дней.»
2) на примере печени - единственного органа человека, обладающего способностью к регенерации (пролиферации клеток).
3) при остром отравлении железосодержащими препаратами
4) при сидеробластной анемии.
Рассматривая гистологическую картину описанных выше процессов, обращают на себя внимание факт угнетения метаболизма, митоза, апоптоза клеток и активное участие в них принимает железо. Особенно ярко угнетение метаболизма и митоза клеток наблюдается при гемохроматозе.
Гемохроматоз – «болезнь, сопровождающаяся избыточным накоплением железа в организме и отложением их внутри клеток, в первую очередь тропных к нему органах (в основном печени, сердце, селезенке, поджелудочной железе, надпочечниках)» (Диагностика болезней внутренних органов. А.Н. Окороков Москва. 2003г.).
При рассмотрении тканей пораженных железом выявляется способность железа накапливаться в них и образовывать нерастворимые комплексы. В печени-«Гистологически (при гемохроматозе) в печени обнаруживается «микронодулярный» цирроз. Большинство печеночных клеток густо заполнено крупными гранулами желто-коричневого цвета. Часть гранул дает положительную реакцию Перлса на железо т.е. содержит гемосидерин. Наблюдается усиленное отложение 2-х видов пигмента: железосодержащего гемосидерина и свободного от гистохимически определяемого железа липофусцина. В отдельных клетках Купфера также выявляются мелкие гранулы пигментов. В полях соединительной ткани, между узлами обнаруживается изолированные печеночные клетки, цитоплазма которых густо заполнена описанными выше пигментными гранулами. Активность окислительно-восстановительных ферментов установлена преимущественно в молодых регенерирующих клетках свободных от пигментов, в клетках загруженных пигментами активность выражена слабо или отсутствует вообще. Это свидетельствует об угасании жизнедеятельности пораженных клеток» («Болезни печени» С.Д. Подымова 1984г). «Специфическое действие на клетки печени при гемохроматозе оказывает не трансферрин или гемосидерин, а само железо». «В некоторых гепатоцитах видны повреждения органелл, а в отдельных синусоидальных клетках сидероз. При тяжелой перегрузке железом во всех ацинарных зонах видны грубые массы гемосидерина».
При накоплении железа в кардиомиоцитах - «Угнетающее влияние железа на клетки видно и на гистологической картине сердца при «болезнях перегрузки железом». «Морфологические изменения в миокарде сводились к диффузному миофиброзу, отложению гемосидерина в цитоплазме кардиомиоцитов и выраженной дистрофиипоследних». «Накопление и отложение железа в клетках присходит в составе ферритина с последуюшей деградацией его в гемосидерин. Гемосидерин является нерастворимым агрегатом железа с высоким отношением железа к белку». (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005 г.). "По данным А.С. Мухина и соавторов (1975); Powell (1975) длительное лечение кровопусканиями больных наследственным гемохроматозом может приводить не только к эвакуации депонированного железа из органов, но и обратному развитию цирроза печени (исследование проводилось под контролем многократных биопсий печени без лапароскопического изучения органа)» (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005 г.), что говорит о способности железа угнетать деление гепатоцитов и соответственно регенерацию всей печени. Но наибольший интерес представляет гистологическая картина при отравлении железом: «железо оказывает прямое повреждающее действие на клеточные структуры, при местном воздействии на желудочно-кишечный тракт гистологически обнаруживается диффузный некроз и геморрагии в слизистую оболочку желудка и кишечника, отложение железа в цитоплазме и внутри ядер эндотелиальных клеток, импрегнация гладких мышц, медии артерий и вен, также нарушение свертываемости крови вследствии прямого действия железа на белки, в связи с высоким уровнем его в сыворотке» («Справочник по клинической фармакологии и фармакотерапии.» Под ред. А. П .Плешука; О.А. Пятака; И. В. Чекмана; Киев «Здоровье» 1987 г. стр.465).
Процессы угнетения метаболизма и пролиферации клеток наблюдаются и при сидеробластной анемии - «в периферической крови появляются популяции гипохромных микроцитарных эритроцитов и выраженному в различной степени накоплению железа в митохондриях развивающихся эритробластов. В костном мозге обнаруживают «кольцевые сидеробласты» - ядросодержащие эритроциты с околоядерным венчиком, предствляющим собой заполненные железом митохондрии, расположенные в виде перинуклеарного кольца» (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф. Ю.Н. Токарева Москва 2005г.) «У пациентов с сидеробластной анемией отмечается увеличение апоптоза в клетках костного мозга.(Fontenai-Roupie et al.,1999; Matthes et al., 2000)».
Сидеробластные анемии – анемии наследственного или приобретенного характера, связанные с нарушением синтеза гема, обусловленные нарушением утилизации, использования железа для синтеза гемоглобина, несмотря на нормальное или даже повышенное содержание железа в эритрокариоцитах (предшественников эритроцитов) в результате нарушения активности ферментов, учавствующих в синтезе протопорфиринов. В связи с нарушением синтеза протопорфирина и нарушения образования гема, просходит накопление свободного (неиспользованного) железа в митохондриях, который угнетает метаболические процессы в них, тем самым угнетая жизнедеятельность эритробластов и вызывает преждевременную их гибель (до созревания в эритроциты). При исследовании периферической крови выявляется снижение количества эритроцитов, цветового показателя, гемоглобина, количество ретикулоцитов обычно нормальное. В пунктате костного мозга отмечается гиперплазия красного листка кроветворения (увеличение количества эритрокариоцитов). Все это говорит об отсутствии нарушения работы костного мозга (нормальное количество ретикулоцитов) и нарушение созревания эритроцитов на стадии образования гема - преждевременная гибель эритроцитов (апоптоз эритроцитов). Ещё одним фактом, говорящий об участии железа в нарушении созревания эритроцитов является восстановление их количества в периферической крови после проведения лечебной флеботомии (кровопускания) или после терапии десфералом.
Превращение бластной кроветворной клетки в эритроцит, гемохроматоз, отравление железосодержащими препаратами - все этих процессы обьединяют общие механизмы, при которых происходит:
1) угнетение (изменение) метаболизма клеток;
2) угнетение митотической активности;
3) смерть клеток путем апоптоза;
4) и основную роль в этих процессах играет железо. Ясно видно, что железо, воздействуя на клетки, вызывает угнетение их жизнедеятельности, путем угнетения метаболизма и митотической активности. Например, при гемохроматозе, несмотря на способность печени к регенерации и соответственно способности гепатоцитов к делению - делятся и обмен веществ наблюдается только в молодых свободных от включений клетках. Угнетение обмена веществ и митоза ведет к апоптозу пораженных железом клеток.
Апоптоз
«С позиций сегодняшних знаний принято различать две формы клеточной гибели: апоптоз и некроз. Апоптоз (от греческого «apoptosis»- опадение лепестков цветка или листьев деревьев)- представляет собой запрограмированную форму клеточной гибели, в отличии от некроза. Посредством апоптоза в многоклеточных организмах происходит удаление определенных клонов дифференцирующихся клеток или «излишков» биологического материала, что определяет его важную физиологическую роль. Морфологически апоптоз характеризуется сморщиванием клетки, вакуолизацией цитоплазмы, агрегацией хроматина и заканчивается распадом клетки на отдельные апоптотические тельца, содержащие остатки ядер и интактные органеллы. Некроз же проявляется набуханием клеток и клеточных органелл, разрушением цитоплазматических мембран и выходом компонентов цитоплазмы в среду. Апоптотические тельца быстро фагоцитируются и поглощаются соседними клетками, при этом, в отличии от некроза, апоптоз не сопровождается развитием воспаления и не вызывает повреждения соседних клеток и тканей организма. Таким образом, наличие или отсутствие воспалительного процесса у животных может служить признаком гибели клеток посредством апоптоза или некроза» (Ст. «Активированные кислородные метаболиты при туберкулезе» В.А.Краснов; Н.К.Зенков; А.Р.Колпаков; Е.Б. Меньшикова. Журнал «Проблемы туберкулеза» № 9)
При гемохроматозе, отравлении железом, сидеробластной анемии - смерть клеток идет путем апоптоза, что подтверждается фактом отсутствия воспалительного процесса (лимфогистиоцитарной инфильтрации) («при гистологическом изучении ткани печени (у 75 больных) константированно отложение большого количества железосодержащего пигмента в цитоплазме гепатоцитов, макрофагах, в эпителии желчного протока и фиброзной ткани. У 8 больных имелись морфологические признаки хронического гепатита, у 6 – фиброз и в 61 случаев цирроз печени. Как правило отсутствовала клеточная реакция, характерная для активности процесса, что свидетельствует о патогенетическом значении отложений железа, а не воспалительно-некротических изменений в формировании цирроза печени»). Лимфогистиоцитарная инфильтрация характерна для процессов, при которых происходит цитолиз (некроз) клеток и выход компонентов цитоплазмы в межклеточную среду – например: при вирусных или токсических гепатитах. Также об отсутствии некроза клеток, говорит факт отсутствия повышения трансаминаз в крови (АЛТ, АСТ) при гемохроматозе. (Трансаминазы являются лизосомальными ферментами, которые в больших концентрациях содержится в клетках печени, сердца, мозга, мышц) и увеличение концентрации в крови этих ферментов говорит о некрозе клеток этих тканей (вирусного, ищемического или токсического характера). Лимфогистиоцитарная инфильтрация отсутствует также в суставах при перегрузке железом, что также говорит о апоптозе клеток: "Поражение суставов… При терапии D1 (деферипрал), так и десфералом не связано непостредственно с действием лекарственного вещества, а обусловленно самой перегрузкой железом. В синовиальной жидкости присутствует железо в токсической концентрации, при гистологическом исследовании синовиальной оболочки обнаруженна выраженная пролиферация клеток без каких-либо воспалительных или аллергических исследований и избыточное отложение железа в синовиальных клетках. Подобные изменения имеют место у больных с выраженной перегрузкой железа, не получающих хелаторной терапии (Modell and Berdoukas 1984; Modell 1977г) (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005г стр.281).
О способности железа вызывать угнетение метаболизма и митоза говорит также следующий факт: «при гистологическом исследовании печени... Реакция Перлса выявляет большое количество железа в гепатоцитах и соединительной ткани портальных трактов. Узел в правой доле печени имеет строение гепатоцеллюлярного рака. Клетки полиморфны, гиперхромны, встречается большое количество митозов, реакция Перлса в них отрицательная (в клетках отсутствует железо), тогда как в окружающей соединительной ткани массивные отложения железа.» (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005г стр.221). Таким образом, на фоне гепатоцитов и соединительной ткани, в которых выявляется большое количество железа и в которых «активность выраженна слабо или отсутствует вообще. Это свидетельствует об угасании жизнедеятельности пораженных клеток» и «апоптоза гепатоцитов» - выявляются клетки гепатоцеллюлярного рака с большим количеством митозов и отрицательной реакцией Перлса на железо. Наличие или отсутствие железа в клетках (в гепатоцитах, клетках соединительной ткани, кардиомиоцитах т.д.) зависит от наличия или отсутствия трансферриновых рецепторов, с помощью которых железо проникает в клетку. Будь они у клеток гепатоцеллюлярного рака митоз и метаболизм отсутствовали бы, аналогично гепатоцитам и другим клеткам пораженных железом.
Проникновение железа в клетку зависит от количества трансферриновых рецепторов. Трансферриновые рецепторы экспрессируются почти во всех тканях, кроме зрелых эритроцитов. «Число трансферриновых рецепторов, находящихся на поверхности эритроидных клеток, является основным фактором, определяющий захват железа во время дифференцировки. Имеется пик его количества в 800 000 на одну клетку в промежуточных стадиях нормобластов, и это число падает до нуля у зрелых эритроцитов» (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005г стр.38)
Следует отметить еще одно свойство железа - у клеток нет механизмов выведения железа. Железо выходит из клетки только после её разрушения. Косвенно об этом говорит факт резкого повышения апоптоза гепатоцитов при железодефицитных анемиях (с целью выведения депонированного железа).
Отличием опухолевой клетки от нормальной является высокий уровень обмена веществ, митоза и смерть путем некроза. Используя препараты железа, можно спроецировать процесс угнетения метаболизма и деления клеток, аналогично процессам, происходящие при «болезнях перегрузки железом» на опухолевых клетках.
Общие сведения о железе
Принадлежит к 8 группе периодической системы элементов с атомным номером 26, массовым числом 55,85 и плотностью 7,86 г/куб. см. Ценным свойством железа является способность легко окисляться и восстанавливаться. В щелочной и нейтральной среде железо находится в окисленном состоянии Fe(+3),образуя крупные, легко агрегирующие комплексы с ОН-, другими анионами и водой. При низких значениях рН (кислой среде) железо восстанавливается и диссоциирует.
Известны соединения двух-, трех - и шестивалентного железа. В свободном (ионозированном) состоянии не существует, только в связанном. Трехвалентное железо легко восстанавливается до двухвалентного, способно образовывать устойчивые комплексы (особенно с белками), почти не растворимые при нейтральном значении рН. («Ионы железа обладают высоким сродством ко многим соединениям и образует с ними хелатные комплексы, изменяя свойства и функции этих соединений, поэтому транспорт и депонирование осуществляют особые белки». (Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005г.))
Всасывание присходит в проксимальном отделе тонкого кишечника, в основном на уровне 12-перстной кишки, только в двухвалентном виде. Окисленное железо всасывается только после того, как будет восстановленно кислым содержимым желудочного сока до +2. Далее в энтероцитах опять окисляется до +3, присоединяется к трансферрину и транспортируется к местам использования и депонирования (печень, костный мозг, мышцы, клеточные ферменты (цитохромы)).
В организме взрослого человека содержится от 2 до 5 гр. железа в связанном состоянии, в составе гемоглобина, гемосидерина, трансферрина, ферритина, клеточных ферментов (цитохромов). Депонируется Fe также в трехвалентном виде. Максимальное количество железа - около 60-70% от его общего содержания в организме приходится на долю эритрона (нормобласты и циркулирующие в крови эритроциты), остальное железо находится клетках в виде клеточных ферментов или в печени в виде ферритина и/или гемосидерина (≈ 2 гр.).(примерно 68%-в составе гемоглобина, ферритин-27%, миоглобин-4%, трансферрин-0,1%, на долю всех содержащих железо ферментов приходится 0,6 % железа, имеющегося в организме). Ежедневно в организм человека поступает и выделяется 0,5-2 мг железа.
Механизм действия железа на опухолевые клетки
Поведение железа в опухолевой клетке, скорее всего будет отличаться от поведения в нормальной клетке, в связи с тем, что нормальные клетки имеют механизмы защиты от него.
Основными механизмами защиты клетки от железа являются
1) Регуляция количества трансферриновых рецепторов: трансферриновые рецепторы имеют гепатоциты, лимфоциты, клетки рака молочной железы, некоторые трансформированные и злокачественные клетки и ретикулоциты, которые теряют свои рецепторы после завершения процесса созревания.
2) Способность связывать железо. Ферритин и гемосидерин и трансферрин обладают способностью связывать железо, не давая ему взаимодействовать с клеточными ферментами, белками и угнетать функцию клеточных органелл.
3) Депонирование железа (способность депонировать железо и выводить его обладают гепатоциты и энтероциты).
4) Утилизация железа, путем образования гемоглобина эритроцитами.
В норме железо проникает в клетку с помощью трансферриновых рецепторов и использование трансферрина в качестве носителя для доставки железа в опухоль неэффективна, в связи с тем, что количество трансферриновых рецепторов регулируются клеткой в сторону уменьшения, после достижения необходимой концентрации для жизнедеятельности. Для того, чтобы железо проникло в опухолевые клетки, необходимо использовать другие рецепторы (стероидные, тиреоидные) и «вещества-носители», к которым они чувствительны. Многие опухолевые клетки не способны синтезировать ферритин (что исключает его защитную функцию), в результате чего свободное железо будет накапливаться в органеллах и взаимодействовать с белками клетки, образовывая нерастворимые включения. В клетках синтезирующий ферритин, железо будет взаимодействовать с ними после его насыщения, и аналогично процессам, происходящим при гемохроматозе, произойдет деградация его в гемосидерин. После насыщения трансферрина и исключения его защитной функции, железо начнет накапливаться в цитоплазме и органеллах клетки, нарушая ее жизнедеятельность. Большое количество включений (в виде гемосидерина и комплексов с железа с белками цитоплазмы) само по себе угнетает функции клетки и вызывает белковую недостаточность клетки.
Учитывая свойства железа (способность образовывать нерастворимые комплексы), можно предположить его влияние на опухолевые клетки.
1. Отличием опухолевой клетки от нормальной является высокий уровень обмена веществ, митоза и смерть некротическим путем и больший отрицательный заряд, чем нормальные клетки. Отрицательный заряд клетке сообщает N-нейраминовая кислота.
N- нейраминовая кислота- относится к группе сиаловых кислот. «Сиаловые кислоты являются полифункциональными соединениями с сильными кислотными свойствами. Как правило, в свободном виде в норме они не встречаются, а входят в состав различных углеводсодержащих веществ, таких как гликопротеины, гликолипиды, аминосахариды. Занимая в молекулах этих веществ концевое положение, сиаловые кислоты оказывают значительное влияние на их физико-химические свойства и биологическую активность. Определяя отрицательный заряд молекул гликопротеинов, сиаловые кислоты обусловливают вытянутую форму их молекул и как следствие высокую вязкость содержащих эти гликопротеины секретов слизистых оболочек дыхательного, кишечного и полового трактов. Это обеспечивает защиту слизистых оболочек от механических и химических повреждений». «Находясь в составе углеводной части гликопротеинов, сиаловые кислоты маскируют остатки сахаров, являющиеся антигенными детерминантами, и таким образом играющие важную роль в иммуных реакциях, снижая иммуногенные свойства нормальных и опухолевых клеток». «Содержание сиаловых кислот заметно повышается при ряде заболеваний, сопровождающиеся воспалительными процессами (напр: ревматоидный артрит) или усиленной пролиферацией ткани (например при их малигнизации)». (МецлерД.Э. Биохимия (пер.с англ) т.1 Москва 1988 год). Обладая сильными кислотными свойствами, сиаловые кислоты обладают химической активностью, что обусловливает их способность реагировать с белками, липидами мембран клеток.
Учитывая свойства железа и нейраминовый кислоты, велика вероятность образования комплекса между ними - положительно заряженные ионы железа заблокируют отрицательные хвосты молекул нейраминовой кислоты расположенных на мембранах опухолевых клеток, в результате чего изменятся общий заряд опухолевых клеток на положительный и клетка станет доступна для иммуной системы. Угнетая метаболизм клеток опухоли железом, возможно также снижение синтеза нейраминовой кислоты самой опухолью. Избыточный отрицательный заряд опухолевой клетки, согласно закону Кулона, вызывает отталкивание другой клетки, если она также заряжена отрицательно. Снижение или изменение отрицательного заряда снизит метастатическую активность опухоли.
2. Проникая в клетку, железо способно накапливаться во всех клеточных органеллах, вызывая угнетение их функций.
1) проникая в клетку, комплекс «железо-вещество-носитель» захватывается лизосомами клетки, и образуются стойкие нерастворимые комплексы железа с лизосомальными ферментами, в результате чего произойдет угнетение их активности и образуются включения. «Избыток железа уходит в лизосомы и там превращается в гемосидерин» (Ст. «Специфическая кардиомиопатия у больных гемохроматозом» А.П.Шарандак д.м.н. профессор), также при гистологическом исследовании гепатоцитов (при гемохроматозе) определяются нагруженные железом лизосомы. Большое количество включений, само по себе нарушает жизнедеятельность клетки. Но кроме этого произойдет истощение лизосомальной активности клетки, нарушение метаболизма (в результате угнетения активности лизосом и нарушения лизиса высокомолекулярных соединений).
Разрушение мембран лизосом в результате гипоксии, в котором находятся опухолевые клетки, ведет к выходу лизосомальных ферментов и некрозу всей клетки с последующей интоксикацией организма. Воздействие продуктов распада клеток на нормальные окружающие опухоль клетки ведет к развитию воспалительного процесса на периферии с развитием сосудистой сети (грануляционной ткани), улучшающий питание опухолевых клеток (грануляционная ткань богата сосудами). Также продукты распада опухолевых клеток ведут к угнетению жизнедеятельности нормальных клеток, в результате происходит снижение их сдерживающего влияния на опухоль, «при отдельном культивировании опухолевые клетки растут бесконтрольно. Опухолевые клетки, которые по прежнему сохраняют контакты с нормальными клетками, напротив могут оставаться под контролем». («Рак: эксперименты и гипотезы» РЗЮСС В. Кинцель; Дж. Д. Скрибнер)
Угнетение выхода лизосомальных ферментов при некрозе опухолевых клеток приведет:
a) к восстановлению контролирующего влияния нормальных, окружающих опухоль клеток и угнетению роста опухоли
b) угнетению роста сосудов и ухудшение питания опухолевой клетки.
c) к снижению интоксикации организма продуктами распада опухолевых клеток
2) железо также способно реагировать с веществами растворенными в цитоплазме, образуя включения и угнетая жизнедеятельность клетки. О способности железа образовывать комплексы с веществами, растворёнными в цитоплазме, говорят факты:
- образование гемоглобина происходит непосредственно в цитоплазме клеток
- при отравлении железосодержащими препаратами происходит отложение железа в цитоплазме клеток
- при гемохроматозе в цитоплазме выявляются включения, содержащие железо.
Также о способности железа взаимодействовать с веществами, растворенными в цитоплазме и угнетать действие ферментов, говорит факт угнетения уропорфириногендекарбоксилазы и уропорфириногенсинтетазы при поздней кожной порфирии: «Одним из патогенетических факторов (нередко провоцирующих), является прегрузка железом гепатоцитов и других тканей. Она обнаруживается при поздней кожной порфирии очень часто. Железо ингибирует уропорфириногендекарбоксилазу и уропорфириногенсинтетазу и способствует окислению уропорфириногена в уропорфирин…» (Диагностика болезней внутренних органов. А.Н. Окороков. Москва. 2003г.).
3)Проникая в ядро клетки (о способности проникать в ядро клетки и накапливаться в нём, можно судить по гистологической картине при отравлении железосодержащими препаратами («отложение железа в цитоплазме и внутри ядер») железо образует комплексы (сшивки) с ДНК ядра, в результате чего произойдет нарушение митоза клетки. В настоящее время используются препараты с аналогичным миханизмом действия. Одним из таких препаратов является цисплатин (препарат платины), образующий сшивки с ДНК опухолевой клетки, нарушая ее способность к митозу. Комплексообразующая способность железа намного превышает комплексообразующие способности платины, соответственно выше эффективность (а токсичность железа намного меньше).
4) Проникая в митохондрии и накапливаясь там, железо вызывает угнетение окислительно-восстановительных ферментов и цикла Кребса, нарушая выработку АТФ и гибель клетки. Учитывая наличие в митохондриях ДНК и синтез белков и ферментов- железо способно взаимодействовать с ними угнетая их синтез и активность. О способности железа накапливаться в митохондриях говорит факт наличия его в митохондриях эритробластов в больших количествах. Имеются также сведения, что «неиспользованное для синтеза гема железо (при сидеробластной анемии) откладывается в митохондриях эритрокариоцитов и в макрофагах костного мозга в виде ферритина. Первичное поражение при сидеробластной анемии вызывает перегрузка митохондрий железом, которое катализирует образование активных форм кислорода (Liochev and Fridovich 1994г.), что в свою очередь увеличивает повреждение митохондрий. Последний феномен приводит к недостаточности ферментов репарации ДНК в митохондриях (Boore 1999 г)». Следует отметить, что свободные радикалы генерируют только свободное двухвалентное железо. Трехвалентное железо генерировать свободные радикалы не может т.к. находится только в связанном состоянии.
Таким образом, проникая в клетку и накапливаясь в ее органеллах (в рибосомах, митохондриях) и вызывая угнетение их функций, в цитоплазме - угнетая активность ферментов и образовывая включения (которые клетка не способна вывести) и накапливаясь в ядре – железо вызывает угнетение ее метаболизма и деления, что в конечном счете ведет к апоптозу клетки.
Количество железа необходимого для лечения опухолей
Особенностью железа является способность накапливаться в клетке и для того, чтобы железо оказало токсическое действие на клетку опухоли необходимо накопление его в определенной концентрации: «Видимо, существует критическая концентрация железа в печени, при котором происходит повреждение органелл и самих клеток печени. Это подтверждается наблюдением о том, что величина апоптоза гепатоцитов пропорциональна нагрузке железом….».( Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). Под ред. проф А.Г. Румянцева ; проф Ю.Н. Токарева Москва 2005г).
Количество железа необходимое для лечения опухоли можно рассчитать исходя из токсической концентрации его в печени при гемохроматозе, учитывая тропность к нему железа и способности печени без вреда для себя накапливать железо в больщих концентрациях.
Учитывая, что фиброз печени развивается при концентрации железа в 50-100 раз большем, чем в норме, т.е. в концентрации 2000 мг (2гр.) на 100 гр., можно сделать вывод, что для лечения опухоли весом 100 гр. необходимо ≈ 2000 мг железа. Такая концентрация железа не является токсичной для организма, учитывая что для развития клиники гемохроматоза необходимо до 20-40 гр., при лечении железодефицитных анемий используется ≈ до 1.5 гр, при хронических анемиях ≈ до 5 гр.железа.
Также имеются пути, позволяющие снизить токсическое действие его на организм:
1) путем доставки его в опухоль в комплексе с "веществом-носителем" (избирательность действия)
2) путем постепенного (дробного) ведения препарата.
3) путем использования флеботомии и/или хелаторов железа (десферала), что приведет к разгрузке тропных к железу органов (печень, сердце, поджелудочная железа)
Способы доставки железа в опухолевую клетку
В норме железо проникает в клетку при помощи трансферриновых рецепторов «носителем» же железа, доставляющий его в клетку, является трансферрин. Максимальную избирательность действия можно достичь только через рецепторный аппарат клетки и с помощью вещества («вещество-носитель»), к которому она чувствительна. В качестве «вещества-носителя» можно использовать гормоны, к которому чувствительна клетка (к которому клетка имеет рецепторы) и обладающие способностью проникать в клетку. Проникают в клетку и внутриклеточные рецепторы имеют, к примеру, стероидные и тиреоидные гормоны, в отличии от инсулина, рецепторы которого расположенны на мембране и внутрь клетки он не проникает). Также можно использовать в качестве «вещества-носителя» метаболиты, которые поглощают опухолевые клетки и используют в обмене веществ (имеются сведения, что опухоль в большом количестве поглощает, к примеру, фолиевую кислоту, избирательной способностью к накоплению в опухолях имеет тетрациклин.). "При создании комплексов «вещество-носитель - активное вещество» чаще всего имеется в виду направленный транспорт. «Вещество-носитель» обычно соединяется с активным веществом за счет ковалентных связей. Высвобождается активное соединение под влиянием соответствующих ферментов на месте действия вещества. Желательно, чтобы носитель распознавался клеткой-«мишенью». В этом случае можно добиться значительной избирательности действия. Функцию носителей могут выполнять белки, пептиды и другие соединения. Так например, можно получить моноклональные антитела к специфическим антигенам эпителия молочных желез. Такие антитела-носители в комплексе с противобластомными средствами, очевидно, могут быть испытаны при лечении диссеминированного рака молочной железы. Из пептидных гормонов в качестве носителя представляяет интерес бетта-меланотропин, который распознается злокачественными клетками меланомы. Гликопротеины могут довольно избирательно взаимодействовать с гепатоцитами и некоторыми клетками гепатомы."(Фармакология. Под ред. Д.А.Харкевич. М-ГЭОТАР-МЕД. 2005 г.). Такое "вещество-носитель" доставит железо непосредственно в опухолевую клетку. Есть еще одно преимущество использования "нетрансфариновых" рецепторов для проникновения железа в клетку: в норме при насыщении клетки железом, происходит снижение количества трансферриновых рецепторов, но на другие рецепторы (стероидные, тиреоидные) этот механизм не влияет и насыщение клетки железом может идти бесконечно. Преимуществом железа в качестве "активного-вещества" по сравнении с другими является ещё и легкость доставки, в связи с тем, что железо легко присоединить к "носителю".
Отличие действия железа от других токсических элементов
Механизмом действия любого вещества является нарушение жизнедеятельности клетки с последующим ее некрозом, в отличии от железа, при воздействии которого происходит угнетение митоза и отчетливое угнетение метаболизма, с последующим апоптозом клеток.
В отличие от других металлов (медь, свинец, ртуть, серебро, мышьяк) способные реагировать, к примеру, только с тиоловыми соединениями (соединения, содержащие сульфгидрильные (-SO) группы), железо обладает сродством ко многим соединениям и способно реагировать с веществами содержащие не только сульфгидрильные группы, но и ОH-, NH-, COO- группами, образуя с ними хелатные, агрегирующие, нерастворимые комплексы, что способствует накоплению его в клетке.
Нет другого химического элемента или химического вещества, способного вызывать одновременно угнетение метаболизма и митоза, и вызывать механизм смерти клеток настолько схожий с апоптозом.
Особенностью действия железа на опухолевые клетки является:
1) активность внезависимости от фазы клеточного цикла.
2) низкая токсичность препарата (терапевтическая широта)
3) избирательность действия
4) невызывает угнетения костного мозга (угнетение костного мозга является наиболее частым побочным эффектом противоопухолевых препаратов, использующихся в настоящее время).
5) способность одновременно вызывать угнетение метаболизма и митоза.
6) вызывает апоптоз
7) легкость доставки, в связи с тем, что железо легко присоединить к "носителю" и также легко железо от него отделяется, не теряет своих первичных свойств, оставаясь в трехвалентном виде
8) комплексное (многогранное) действие
Выводы
На примере процессов, происходящие при «болезнях перегрузки железом» можно увидеть способность железа угнетать метаболизм, митоз и вызывать апоптоз клеток. Если вывести железо из обычного (нормального) обмена в организме и перенаправить в опухоль, можно добиться эффекта, свойственный процессам, происходящие при болезнях "перегрузки железом", т.е. накопление в клетках, угнетение метаболизма, митоза и апоптоз.
Нет другого химического элемента или химического вещества, способного накапливаться в клетках и вызывать одновременно угнетение метаболизма и митоза, и вызывать механизм смерти клеток настолько схожий с апоптозом. Следует также отметить, что у клеток отсутствует механизмы вывода железа, т.е. оно выходит из клеток только после их разрушения, что косвенно подтверждается фактом резкого повышения апоптоза гепатоцитов при железодефицитных анемиях.
Несомненно, что препараты, основным активным веществом которого является железо (+3), могут иметь преимущества перед препаратами, использующиеся в настояшее время в лечении опухолей и несмотря на все описанные факты, механизм действия его (железа) в опухолевой клетке требует дальнейшего изучения.
Литература:
1. «Физиологические аспекты злокачественного роста» [И.П. Терещенко. А.П.Калугина. 1983г.]
2. «Биологическая химия» Под ред.Е.С. Северина [М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003 г.]
3. «Фармакология» Д.А.Харкевич М.: [ГЭОТАР-МЕД, 2003 г.]
4. «Болезни печени» [С.Д. Подымова 1984 г.]
5. «Справочник по клинической фаомакологии и фармакотерапии» [И.С. Чекман. А.П. Полищук. О.А. Пятак. Киев. Здоровье. 1984 г.]
6. «Биохимические аспекты опухолевого роста» [В.С. Шапот. 1975 г.]
7. «Рак: эксперименты и гипотезы.» [РЗСЮСС В.Кинцель Дж.Д.Скрибнер.]
8. «Болезни перегрузки железом (гемохроматозы)» [Под ред. А.Г. Румянцев.Ю.Н. Токарева.]
9. «Биология» [М.: ОНИКС Г.Л.Билич. В.А. Крыжановский.
10. Журнал «Проблемы туберкулеза» 2006г [Ст. «Активированные кислородные метаболиты при туберкулезе» В.А. Краснов; Н.К. Зенков; А.Р. Колпаков; Е.Б. Меньшикова. № 9 Стр.13-14]
11. Диагностика болезней внутренних органов (А.Н. Окороков. Москва. 2003г.).
